DE102008008238B4 - Method for the charging strategy of a hybrid drive and implementing control unit - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ladestrategie eines Hybridantriebs (1) mittels einer Brennkraftmaschine (2), einer Elektro-Maschine (3), einer Batterie und mindestens eines Steuergerätes,
- wobei in dem Steuergerät verschiedene Lade- und Entladefunktionen für die Batterie abgelegt sind,
- wobei in Abhängigkeit verschiedener Eingangsgrößen das Steuergerät eine der verschiedenen Lade- oder Entladefunktionen auswählt, die dann durch eine Lastpunktverschiebung an der Brennkraftmaschine (2) und der Elektro-Maschine (3) eingestellt wird,
- wobei die Eingangsgrößen mindestens eine aktuelle Differenz zwischen einem Ist-Ladezustand und einem Soll-Ladezustand, ein Abstand von dem Ist-Ladezustand zu Ladezustand-Min/Max-Grenzen und aktuelle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine (2) und der Elektro-Maschine (3) sowie deren Wirkungsgradkennfelder sind,
- wobei neben den Lade- und Entladefunktionen auch eine 0-Ladungsfunktion und eine Pulsladungsfunktion in dem Steuergerät abgelegt sind,
- wobei während eines Betriebes des Hybridantriebs (1) der Soll-Ladezustand angepasst wird,
- wobei Ausgangsgrößen des Steuergerätes einer Korrektur unterzogen werden, wobei weitere Systemgrenzen und/oder besondere Betriebszustände berücksichtigt werden und wobei Korrekturinformationen als Eingangsgrößen zurückgekoppelt werden.
Method for the charging strategy of a hybrid drive (1) by means of an internal combustion engine (2), an electric machine (3), a battery and at least one control unit,
- various charging and discharging functions for the battery are stored in the control unit,
- depending on various input variables, the control unit selects one of the various charging or discharging functions, which is then adjusted by a load point shift on the internal combustion engine (2) and the electric machine (3),
- wherein the input variables are at least a current difference between an actual state of charge and a target state of charge, a distance from the actual state of charge to state of charge min/max limits and current operating points of the internal combustion engine (2) and the electric machine (3) as well as their efficiency maps,
- in addition to the charging and discharging functions, a 0-charging function and a pulse charging function are also stored in the control unit,
- wherein the target charge state is adjusted during operation of the hybrid drive (1),
- whereby output variables of the control unit are subjected to a correction, whereby further system limits and/or special operating conditions are taken into account and whereby correction information is fed back as input variables.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladestrategie eines Hybridantriebs und ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Steuergerät.The invention relates to a method for the charging strategy of a hybrid drive and a control unit suitable for carrying out the method.
Bei Hybridfahrzeugen werden zwei Antriebseinheiten miteinander kombiniert, die auf unterschiedliche Weise die Leistung für den Fahrzeugantrieb bereitstellen. Besonders gut ergänzen sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors und (mindestens) einer Elektro-Maschine, weshalb Hybridfahrzeuge heute überwiegend mit einer solchen Kombination ausgestattet werden. Die Anbindung der Elektro-Maschine an die Motorkurbelwelle kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen. So kann diese über eine Kupplung bzw. direkt mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden oder über einen Riemenantrieb bzw. ein Getriebe angekoppelt sein. Die Steuerung der Elektro-Maschine erfolgt über eine Steuerungseinheit (Wechselrichter, Leistungselektronik).Hybrid vehicles combine two drive units that provide power for the vehicle's propulsion in different ways. The properties of an internal combustion engine and (at least) one electric motor complement each other particularly well, which is why hybrid vehicles today are predominantly equipped with this combination. The electric motor can be connected to the engine crankshaft in various ways. For example, it can be connected via a clutch or directly to the crankshaft of the internal combustion engine, or it can be coupled via a belt drive or a transmission. The electric motor is controlled by a control unit (inverter, power electronics).
Als elektrische Energiespeicher werden bei Hybridfahrzeugen häufig zyklenfeste Batterien in NiMH- oder Li-lonen-Technik eingesetzt. Die Lebensdauer einer Batterie ist u.a. über die durchgesetzte (d.h. ein- und ausgespeicherte) Energie sowie die Leistung bzw. den Energiehub während des Lade- bzw. Endladevorgangs begrenzt. Eine starke Zyklisierung führt somit zu einer verringerten Lebensdauer.Deep-cycle batteries using NiMH or Li-ion technology are often used in hybrid vehicles as electrical energy storage devices. The service life of a battery is limited, among other things, by the energy transferred (i.e., stored and released) as well as the power or energy swing during the charging and discharging processes. Extensive cycling thus leads to a reduced service life.
Um eine ausreichende Lebensdauer der Batterie zu erreichen, ist es daher erforderlich, die Ladezustandsschwankungen zu begrenzen und gleichzeitig den Ladezustand der Batterie SOC (state of charge) möglichst in einem Zielbereich zu halten, der durch einen unteren und einen oberen Grenzwert SOCmin und SOCmax gekennzeichnet ist. So sind dauerhaft sowohl sehr hohe als auch sehr niedrige Ladezustände zu vermeiden, wodurch sich der effektiv nutzbare SOC-Bereich der Batterie deutlich verkleinert. Typischerweise wird angestrebt, den Ladezustand von Hybridbatterien in einem Fenster +-30%, bevorzugt +-20% und besonders bevorzugt +-10% um den Sollzustand zu halten. Dabei können sich die bevorzugten SOC-Bereiche auch asymmetrisch um den Sollladezustand aufteilen.To achieve a sufficient battery service life, it is therefore necessary to limit fluctuations in the state of charge (SOC) and, if possible, to keep the battery's SOC (state of charge) within a target range defined by lower and upper limits (SOCmin and SOCmax). This means that both very high and very low states of charge must be permanently avoided, as this significantly reduces the battery's effectively usable SOC range. Typically, the aim is to maintain the state of charge of hybrid batteries within a window of +-30%, preferably +-20%, and particularly preferably +-10%, of the target state. The preferred SOC ranges can also be distributed asymmetrically around the target state of charge.
Die erzielbare Verbrauchsabsenkung bei Hybridfahrzeugen resultiert entscheidend aus einer geeigneten Steuerungsstrategie, die den Betrieb in Bereichen geringer verbrennungsmotorischer Wirkungsgrade möglichst vermeidet bzw. die Wirkungsgradeigenschaften von Verbrennungsmotor und Elektro-Maschine vorteilhaft miteinander kombiniert.The achievable reduction in fuel consumption in hybrid vehicles results crucially from a suitable control strategy that avoids operation in areas of low combustion engine efficiency as far as possible or advantageously combines the efficiency characteristics of the combustion engine and the electric motor.
So kann der rein elektromotorische Vortrieb beispielsweise in Bereichen mit nur geringen Lastanforderungen erfolgen, in denen ein Verbrennungsmotor typischerweise nur geringe Wirkungsgrade aufweist. Ein solcher Betrieb ist vor allem dann effektiv, wenn sich Verbrennungsmotor und Elektro-Maschine z.B. über eine zusätzliche Kupplung mechanisch voneinander entkoppeln lassen. Zusätzliche Verbrauchspotenziale ergeben sich beispielsweise aus einer Start-Stopp-Funktion und der Möglichkeit zur Bremsenergierückgewinnung.For example, purely electric propulsion can be used in areas with low load requirements, where a combustion engine typically has low efficiency. This type of operation is particularly effective when the combustion engine and electric motor can be mechanically decoupled from each other, for example, via an additional clutch. Additional fuel consumption potential arises, for example, from a start-stop function and the possibility of braking energy recovery.
Idealerweise wird der Großteil der für den Vortrieb des Fahrzeuges aufzubringenden Energie sowie für die Versorgung des elektrischen Bordnetzes benötigte Energie aus vorgelagerten Rekuperationsvorgängen gewonnen und im Energiespeicher zwischengespeichert. Hierfür werden Verzögerungsphasen des Fahrzeuges ausgenutzt, indem die erforderliche Bremsleistung zu einem möglichst großen Anteil über den Generatorbetrieb der Elektro-Maschine aufgebracht wird. In realen Fahrzyklen ist jedoch zur Erreichung des Zielladezustandes meistens die Erzeugung zusätzlicher elektrischer Energie über den Verbrennungsmotor und generatorischen Betrieb der Elektro-Maschine erforderlich.Ideally, the majority of the energy required to propel the vehicle and supply the on-board electrical system is generated from upstream recuperation processes and temporarily stored in the energy storage system. To achieve this, the vehicle's deceleration phases are utilized by generating as much of the required braking power as possible through the generator operation of the electric motor. In real driving cycles, however, achieving the target charge level usually requires the generation of additional electrical energy via the combustion engine and generator operation of the electric motor.
Um bei günstigen Fahrsituationen (häufige Verzögerungs- bzw. Bremsvorgänge, Bergabfahrt) eine möglichst große elektrische Energie durch Rekuperation einspeichern zu können, ist ein ausreichender Abstand des aktuellen Ladestandes zum oberen zulässigen Wert erforderlich.In order to be able to store as much electrical energy as possible through recuperation in favorable driving situations (frequent deceleration or braking, downhill driving), a sufficient distance between the current charge level and the upper permissible value is required.
Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, den Zielladezustand hier tendenziell niedrig zu halten, um die Rekuperationsenergie möglichst vollständig einspeichern zu können und damit möglichst selten (bzw. mit geringer Leistung) den generatorischen Ladevorgang über die Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors durchzuführen.Against this background, it makes sense to keep the target state of charge low in order to be able to store the recuperation energy as completely as possible and thus to carry out the generator charging process as rarely as possible (or with low power) via the load point shift of the combustion engine.
Darüber hinaus wird die Elektro-Maschine im Antriebsstrang häufig auch zur Verbesserung der Fahrleistungen des Hybridfahrzeuges eingesetzt. So kann die Momentenabgabe von Verbrennungsmotor und Elektro-Maschine auch parallel erfolgen, beispielsweise um das maximale Drehmoment der gesamten Antriebseinheit zu steigern (Boostbetrieb).In addition, the electric motor in the drivetrain is often used to improve the performance of the hybrid vehicle. The torque output of the combustion engine and electric motor can also occur in parallel, for example, to increase the maximum torque of the entire drive unit (boost mode).
Hierbei ist es zur Darstellung eines reproduzierbaren Fahrverhaltens wichtig, die Boostfunktion bei vergleichbaren Randbedingungen möglichst immer mit gleicher Performance darzustellen.In order to demonstrate reproducible driving behavior, it is important to always display the boost function with the same performance under comparable boundary conditions.
Insbesondere hohe abgerufene elektrische Leistungen führen zu einer raschen Annäherung an den unteren zulässigen SOC-Wert des Energiespeichers und erfordern nachfolgend auch entsprechende Ladephasen, um bei mehrmaligem aufeinander folgendem Boostbetrieb Funktionseinschränkungen durch einen unzulässig niedrigen Ladezustand zu vermeiden.In particular, high electrical power consumption leads to a rapid approach to the lower permissible SOC value of the energy storage device and subsequently requires corresponding charging phases in order to To avoid functional limitations due to an inadmissibly low charge level.
Für einen Fahrbetrieb mit häufigen Boostvorgängen ist es somit vorteilhaft, einen möglichst hohen Zielladezustand der Batterie einzustellen, um für die Entladevorgänge einen entsprechenden Energievorhalt zu schaffen.For driving operations with frequent boosting processes, it is therefore advantageous to set the battery's target charge level as high as possible in order to create an appropriate energy reserve for the discharging processes.
In der Hybridsteuerung von ausgeführten Hybridfahrzeugen wird unter Berücksichtigung der oben angeführten grundsätzlichen Zusammenhänge sowie zusätzlicher Einflussfaktoren wie z.B. thermische Grenzen, Strom- oder Spannungsgrenzen, Alterungseffekte etc., ein Sollwert bzw. ein Soll-Bereich für den Ladezustand der Batterie berechnet. Aufgabe einer Ladefunktion ist es nun, abhängig von der Fahrstrategie in geeigneter Weise den Ladezustand des Energiespeichers z.B. durch Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors und generatorischen Betrieb der Elektro-Maschine zur Ladung des Energiespeichers (Ist-SOC kleiner als Soll-SOC) gemäß dem berechneten Zielwert bzw. Zielbereich einzustellen.In the hybrid control system of implemented hybrid vehicles, a target value or target range for the battery's state of charge is calculated, taking into account the fundamental relationships outlined above as well as additional influencing factors such as thermal limits, current or voltage limits, aging effects, etc. The task of a charging function is to appropriately adjust the state of charge of the energy storage device, depending on the driving strategy, e.g., by increasing the load point of the combustion engine and operating the electric motor in generator mode to charge the energy storage device (actual SOC less than target SOC), according to the calculated target value or target range.
Des Weiteren kann es auch erforderlich sein, bei Fahrsituationen mit hohem Rekuperationsanteil und seltenen bzw. nur leistungsschwachen Entladephasen über die Ladefunktion den Ladezustand des Energiespeichers gezielt abzusenken (Ist-SOC größer als Soll-SOC). Dies kann beispielsweise darüber erfolgen, dass eine elektromotorische Antriebsunterstützung bei laufendem Verbrennungsmotor (und geschlossener Trennkupplung) entsprechend
Im realen Fahrbetrieb des Hybridfahrzeuges ergibt sich dabei zusätzlich die Schwierigkeit, dass während der Ladephasen zur Darstellung eines weitgehend reproduzierbaren Fahrverhaltens zwischenzeitlich auch andere hybridische Funktionen (Boost, Rekuperation, E-Fahren, Start-Stopp) aktiv sind und den Ladezustand des Energiespeichers dadurch fortlaufend beeinflussen. In real driving operation of the hybrid vehicle, there is the additional difficulty that during the charging phases, in order to demonstrate a largely reproducible driving behavior, other hybrid functions (boost, recuperation, electric driving, start-stop) are also active and thus continuously influence the charge state of the energy storage device.
Gleichzeitig muss es auch über die Ladestrategie möglich sein, ein Optimum bezüglich Verbrauch oder Fahrleistungen bzw. einen optimalen Kompromiss aus beiden zu erreichen.At the same time, the charging strategy must also make it possible to achieve an optimum in terms of consumption or driving performance or an optimal compromise between the two.
Aus der
Die
Die
Die
Die
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Ladestrategie eines Hybridantriebes und ein das Verfahren durchführendes Steuergerät zu schaffen.The invention is based on the technical problem of creating an improved method for the charging strategy of a hybrid drive and a control unit carrying out the method.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from the objects having the features of
Hierzu ist das Steuergerät zur Durchführung eines Verfahrens zur Ladestrategie eines Hybridantriebs derart ausgebildet, das in dem Steuergerät verschiedene Lade- und Entladefunktionen abgelegt sind, wobei in Abhängigkeit verschiedener Eingangsgrößen das Steuergerät eine der verschiedenen Lade- oder Entladefunktionen auswählt, die dann durch eine Lastpunktverschiebung an der Brennkraftmaschine und der Elektro-Maschine eingestellt wird, wobei die Eingangsgrößen mindestens die aktuelle Differenz zwischen Ist-SOC und Soll-SOC, ein Abstand zwischen Ist-SOC zu SOC-Min/Max-Grenzen, die aktuellen Betriebspunkte von Brennkraftmaschine (z.B. Drehzahl und/oder Drehmoment) und Elektro-Maschine (z.B. Drehzahl und/oder Drehmoment und/oder Strom und/oder Spannung) sowie deren Wirkungsgradkennfeldern umfassen.For this purpose, the control unit is designed to carry out a method for the charging strategy of a hybrid drive in such a way that various charging and discharging functions are stored in the control unit, wherein the control unit selects one of the various charging or discharging functions depending on various input variables, which is then set by a load point shift on the internal combustion engine and the electric machine, wherein the input variables include at least the current difference between the actual SOC and the target SOC, a distance between the actual SOC and the SOC min/max limits, the current operating points of the internal combustion engine (e.g. speed and/or torque) and the electric machine (e.g. speed and/or torque and/or current and/or voltage) and their efficiency maps.
Durch die Möglichkeit, während des Betriebes zwischen verschiedenen Lade- und Entladefunktionen umzuschalten, kann besser auf die unterschiedlichen Anforderungen einer Kraftstofferfordernis sowie eines reproduzierbaren Verhaltens des Hybridantriebes situativ reagiert werden. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, die Eingangsgrößen mit Wichtigkeits- bzw. Gewichtungsfaktoren zu versehen und die Auswahl damit in einer Art Fuzzy-Logik vorzunehmen.The ability to switch between different charging and discharging functions during operation allows for better situational responses to varying fuel consumption requirements and reproducible hybrid drive behavior. Preferably, the input variables are assigned importance or weighting factors, thus enabling the selection to be made using a type of fuzzy logic.
Die grundlegende Berechnung der Batterieladung bzw. allgemein des elektrischen Energiespeichers der verschiedenen Lade- und Entladefunktionen durch Lastpunktverschiebung kann vorzugsweise über ein Kennfeld erfolgen, welches als Eingangsgrößen unter anderem die Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Elektro-Maschine sowie das Brennkraftmotormoment vor der Lastpunktverschiebung erhält.The basic calculation of the battery charge or, in general, of the electrical energy storage of the various charging and discharging functions by load point shifting can preferably be carried out via a characteristic map which receives as input variables, among other things, the speed of the internal combustion engine and the electric motor as well as the internal combustion engine torque before the load point shift.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden als weitere Eingangsgrößen weitere Batteriekenngrößen wie insbesondere die Temperatur und/oder der Zustand der Leistungsfähigkeit der Batterie SOH (state of health), der auch als Indikator für den Verschleißgrad der Batterie bezeichnet wird, Ganginformationen, Fahrzeuggeschwindigkeit, Zustand einer gegebenenfalls vorhandenen Trennkupplung und/oder weitere Betriebsparameter von Brennkraftmaschine und/oder Getriebe berücksichtigt. Die Aufzählung ist dabei derart zu verstehen, dass mindestens einer der vorgenannten Parameter im Sinne einer und/oder-Verknüpfung zusätzlich berücksichtig wird. Hierdurch kann die Ladestrategie noch besser an den Gesamtzustand optimal angepasst werden. Die Wirkungsgradkennfelder sind dabei vorzugsweise fest im Steuergerät abgelegt.In a preferred embodiment, further battery parameters are taken into account as additional input variables, such as in particular the temperature and/or the state of health of the battery (SOH), which is also referred to as an indicator of the degree of battery wear, gear information, vehicle speed, the state of any separating clutch, and/or other operating parameters of the internal combustion engine and/or transmission. The list is to be understood in such a way that at least one of the aforementioned parameters is additionally taken into account in the sense of an and/or connection. This allows the charging strategy to be optimally adapted even better to the overall condition. The efficiency maps are preferably stored permanently in the control unit.
Erfindungsgemäß sind neben den Lade- und Entladefunktionen auch eine 0-Ladungsfunktion und eine Pulsladungsfunktion abgelegt, um geeignet auf Zustände zu reagieren, bei denen nur geringe Abweichungen zwischen Ist-SOC und Soll-SOC auftreten, wobei hinsichtlich der Pulsladungsfunktion ausdrücklich auf die
In einer bevorzugten Ausführungsform wird abhängig von Batterievorgaben auf eine spezielle Batterieladefunktion zurückgegriffen. Diese Batterievorgaben können dabei aus den Eingangsgrößen des Steuergerätes berechnet werden oder aber von einem separaten Batteriemanagement geliefert werden. Dies verhindert, dass Lade- und Entladeleistungen ausgewählt werden, die zwar energetisch günstig erscheinen, aber aktuell suboptimal für die Batterie sind, beispielsweise aufgrund von Belastungsgrenzen (thermisch und/oder elektrisch) und/oder die Batteriealterung unzulässig beschleunigen. Durch die Berücksichtigung der Batterievorgabe in Bezug auf die Batterieladefunktion wird der Wirkungsgrad verbessert und die Lebensdauer der Batterie verlängert.In a preferred embodiment, a special battery charging function is used depending on battery specifications. These battery specifications can be calculated from the input variables of the control unit or supplied by a separate battery management system. This prevents the selection of charging and discharging rates that, while appearing to be energetically favorable, are currently suboptimal for the battery, for example, due to load limits (thermal and/or electrical) and/or that unduly accelerate battery aging. By taking the battery specifications into account with regard to the battery charging function, efficiency is improved and the service life of the battery is extended.
Während des Betriebs wird der Soll-SOC angepasst. Durch die flexible Auslegung des Soll-Ladezustands in Bezug auf den Fahrbetrieb kann beispielsweise ein rekuperativer Betrieb häufiger erfolgen, was wiederum den Kraftstoffverbrauch verringert.The target SOC is adjusted during operation. The flexible configuration of the target state of charge in relation to driving conditions allows, for example, regenerative operation to occur more frequently, which in turn reduces fuel consumption.
Weiterhin werden die Ausgangsgrößen des Steuergerätes einer Korrektur unterzogen, wobei weitere Systemgrenzen und/oder besondere Betriebszustände berücksichtigt werden, wie beispielsweise das Aufheizen eines Katalysators oder einer Lambda-Sonde, sowie das Lambda-Signal (z.B. bei Gemisch-Anfettungen aufgrund von Bauteileschutzanforderungen). Bei dieser Art einer Optimalwertsteuerung, bei der Eingangsvariablen beobachtet werden, um einen Prozess zu steuern, können beispielsweise Korrekturdaten für eine Katalysator-Aufheizung bewirken, dass im innerstädtischen Betrieb, beispielsweise abgeleitet aus Fahrsituationen, die Schadstoffemissionen frühzeitiger reduziert werden.Furthermore, the output variables of the control unit are subjected to a correction, taking into account further system limits and/or special operating conditions, such as the heating of a catalytic converter or a lambda probe, as well as the lambda signal (e.g., in the case of mixture enrichment due to component protection requirements). In this type of optimum value control, in which input variables are monitored to control a process, correction data for catalyst heating can, for example, result in pollutant emissions being reduced earlier in urban operation, for example, derived from driving situations.
Die Korrekturinformationen werden als Eingangsgrößen zurückgekoppelt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Korrekturen bei der zukünftigen Auswahl in Form einer Rückkopplungssteuerung berücksichtigt werden. Bei dieser Art steht die Einhaltung des Ausgabewertes eines Prozesses im Vordergrund, das heißt die Sicherstellung, dass Vorgabewerte innerhalb einer hinreichenden Spanne von Sollgrößen liegen.The correction information is fed back as input variables. This ensures that the corrections are taken into account in future selections in the form of feedback control. With this type of control, the focus is on maintaining the output value of a process, i.e., ensuring that the specified values lie within a sufficient range of target values.
Vorzugsweise ist das Steuergerät als Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine ausgebildet. Prinzipiell kann die Ladestrategie über ein Getriebesteuergerät, ein separates Hybridsteuergerät (soweit vorhanden) oder gar in dem Steuergerät der Elektro-Maschine abgelegt sein. Dabei muss nur sichergestellt sein, dass das Steuergerät die Momentenanforderungen der Brennkraftmaschine und der Elektro-Maschine beeinflussen kann.Preferably, the control unit is designed as an engine control unit of the internal combustion engine. In principle, the charging strategy can be stored via a transmission control unit, a separate hybrid control unit (if available), or even in the control unit of the electric motor. It must only be ensured that the control unit can influence the torque requirements of the internal combustion engine and the electric motor.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
-
1 ein schematisches Blockschaltbild eines parallelen Hybridantriebs, -
2 eine schematische Darstellung der Auswahl aus verschiedenen Lade- und Entladefunktionen und -
3 eine beispielhafte Darstellung der Arbeitsweise des Verfahrens.
-
1 a schematic block diagram of a parallel hybrid drive, -
2 a schematic representation of the selection of different charging and discharging functions and -
3 an example of how the procedure works.
Der Hybridantrieb 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 2, eine Elektro-Maschine 3, einen Energiespeicher 4, der vorzugsweise als Batterie ausgebildet ist, ein Getriebe 5, ein Anfahrelement 6 (beispielsweise Doppelkupplung oder Wandler), ein Motorsteuergerät 7 und ein Getriebesteuergerät 8. Die Anbindung der Elektro-Maschine 3 an die Motorkurbelwelle kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, wobei hier die Anbindung über eine Kupplung 9 dargestellt ist. Alternativ kann die Elektro-Maschine auch direkt mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden sein oder über einen Riemenantrieb bzw. ein Getriebe angekoppelt sein. Die Steuerung der Brennkraftmaschine 2 erfolgt über das Motorsteuergerät 7 und des Getriebes 5 über das Getriebesteuergerät 8. Des Weiteren ist der Elektro-Maschine 3 ein nicht dargestelltes Steuergerät sowie ein Umrichter zugeordnet. Gegebenenfalls kann darüber hinaus ein separates Hybrid-Steuergerät 10 vorgesehen sein. Die Steuergeräte 7, 8 und 10 sowie das nicht dargestellte Steuergerät der Elektro-Maschine sind über ein Bussystem 11, beispielsweise einen CAN- oder FlexRay-Bus miteinander verbunden. In einem der Steuergeräte 7, 8 und 10 ist nun ein Verfahren implementiert, mittels dessen die Ladestrategie des Hybridantriebs festgelegt wird. Dieses Steuergerät beeinflusst dabei sowohl die Brennkraftmaschine 2 als auch die Elektro-Maschine 3.The
In der
Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, die Vielzahl der möglichen Eingangsgrößen mit Wichtigkeitsfaktoren zu versehen und die Auswahl damit in einer Art Fuzzy-Logik vorzunehmen.It is preferred to provide the multitude of possible input variables with importance factors and thus to make the selection in a kind of fuzzy logic.
Die grundlegende Berechnung der Batterieladung (Laden I, II, III ... bis n - Entladen äquivalent) durch Lastpunktverschiebung kann beispielsweise über ein Kennfeld erfolgen, welches als Eingangsgrößen u.a. die Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Elektro-Maschine sowie das Verbrennungsmotormoment vor der Lastpunktverschiebung erhält. Darüber hinaus kann bei Gleichheit bzw. nur geringen Abweichungen von Ist-SOC und Soll-SOC keine Ladung erfolgen (0-Ladung) bzw. auch mit einer Pulsladung gearbeitet werden. Zudem sind direkte Lade-Entladewünsche der Batterie zu berücksichtigen, die sich aufgrund von Belastungsgrenzen (thermisch/elektrisch) oder Alterungsvorgängen ergeben.The basic calculation of battery charge (charging I, II, III ... up to n - equivalent discharging) through load point shifting can be performed, for example, using a characteristic map that receives, among other input variables, the speed of the internal combustion engine and the electric motor, as well as the combustion engine torque before the load point shift. Furthermore, if the actual SOC and the target SOC are equal or deviate only slightly, no charging can take place (zero charge) or pulse charging can be used. Furthermore, direct charging and discharging requirements of the battery, which arise due to load limits (thermal/electrical) or aging processes, must be taken into account.
Bei den Ausgabewerten handelt es sich vorzugsweise um Leistungs- bzw. Moment-Werte der Elektro-Maschine.The output values are preferably power or torque values of the electric machine.
Bei einem Wechsel der Auswahl im Strategieblock wird zwischen einzelnen Ladefunktionen mittels des Umschaltblocks 14 umgeschaltet bzw. auf Basis der aktuellen Ausgabewerte für die generatorische Leistung (oder Moment) oder elektromotorische Leistung (oder Moment) der Elektro-Maschine 3 interpoliert.When the selection in the strategy block changes, switching between individual charging functions takes place using the
Im letzten Block 15 erfolgt eine Korrektur der Ausgabewerte, die z.B. dann erforderlich werden kann, wenn weitere Systemgrenzen erreicht werden, sich der Verbrennungsmotor in besonderen Betriebszuständen befindet (z.B. Katheizen, Bauteileschutz/Anfettung, Fahrverhalten) oder auch die Vorgabewerte aus dem Batteriemanagement nachträglich begrenzt oder verändert werden müssen. Die Korrekturinformationen fließen auch wieder in den Strategieblock 13 zurück.In the
In
Nachdem im ersten Zeitabschnitt bis zum Zeitpunkt 1 eine elektrische Fahrt - hier mit dem Ziel, einen wirkungsgradgünstigen Betriebsbereich des Verbrennungsmotors durch elektrische Fahrt (bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor) zu ersetzen - stattgefunden hat, wird diese unterbrochen, d.h. der Verbrennungsmotor wird wieder gestartet (beispielsweise infolge einer höheren Momentenanforderungen oder wegen eines Erreichens eines (ersten) unteren Grenz-SOC-Wertes für E-Fahrt). Durch die E-Fahrt ist die dargestellte Abweichung zwischen dem Soll-SOC -und dem Ist-SOC entstanden, so dass sich ein entsprechender Nachladebedarf ergibt. Da nicht direkt anschließend eine Rekuperation erfolgt, muss die Nachladung des Energiespeichers durch Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors erfolgen.After an electric drive has taken place in the first time period up to
Grundsätzlich wird aber darauf „spekuliert“, dass der Energiespeicher durch eine Rekuperation, d.h. ohne zusätzlichen Kraftstoffbedarf wieder geladen bzw. teilgeladen werden kann. In diesem Fall wird zunächst eine mittlere Ladeleistung (Laden II) gewählt, die sich als Kompromiss zwischen betriebspunktabhängig (Brennkraftmaschine + Elektro-Maschine) erreichbarem Ladewirkungsgrad und Ladestärke ergibt und entsprechend variieren kann. Während der Fahrt kann sich, wie hier dargestellt, gleichzeitig der vorgegebene Soll-SOC verändern. In diesem Fall wird für einen möglichst großen Vorhalt (Abstand zu einer oberen SOC-Grenze) für die rekuperierbare Energiemenge der Soll-SOC abgesenkt.However, it is generally "speculated" that the energy storage device can be recharged or partially charged through recuperation, i.e., without additional fuel consumption. In this case, an average charging power (Charging II) is initially selected, which results from a compromise between the achievable charging efficiency and charging strength depending on the operating point (combustion engine + electric motor), and can vary accordingly. During the journey, as shown here, the specified target SOC can change simultaneously. In this case, the target SOC is lowered to ensure the greatest possible lead (distance from an upper SOC limit) for the amount of recuperable energy.
Beim Erreichen des SOC-Wertes zum Zeitpunkt 2 wird auf die Ladeleistung gemäß Laden I umgestellt, da nur noch eine geringe Abweichung zum Soll-SOC besteht. Auch hier wird mit hoher Priorität auf einen wirkungsgradoptimalen Ladevorgang geachtet, gleichzeitig jedoch auch eine möglichst geringe Ladeleistung eingestellt, mit dem Ziel, die Restladung möglichst durch einen (eventuell auftretenden) Rekuperationsvorgang durchzuführen. Zum Zeitpunkt 3 findet eine Rekuperation durch einen Bremsvorgang statt. Hier wird die Batterie aufgeladen, so dass sich anschließend sogar ein Ist-SOC-Wert oberhalb des Soll-SOC-Wertes einstellt.When the SOC value is reached at
Direkt im Anschluss erfolgt ab Zeitpunkt 4 ein Boostvorgang, durch den sich der Energiespeicher sehr schnell auf einen geringen SOC-Wert entleert. Hier steht zunächst die Reproduzierbarkeit des Fahrverhaltens im Vordergrund (Priorität gegenüber Verbrauch). Um für einen nachfolgenden Boostvorgang wieder genügend Energie im Speicher zu haben, wird die Funktion Laden III aktiviert, mit der der Energiespeicher mit hoher Priorität bezüglich der Ladeleistung und zu Lasten einer wirkungsgradoptimalen Ladung möglichst schnell wieder aufgeladen werden soll. Zum Zeitpunkt 6 wird die Ladefunktion Laden II aktiviert, da sich der Abstand Soll-SOC - Ist-SOC bereits erheblich verringert hat und sich dadurch die Möglichkeit bietet, wieder stärker verbrauchsorientiert, d.h. mit höherer Priorität bezüglich der Ladewirkungsgrade, zu arbeiten. In diesem Fall erhöht sich parallel trotzdem der Soll-SOC, um für nachfolgende Boostvorgänge einen entsprechenden Vorhalt im Energiespeicher zu schaffen (zu Lasten des Energiespeicherpuffers für Rekuperationen). Alternativ kann hier vor Erreichen des Soll-SOC auch noch Laden I aktiviert werden.Immediately following this, a boost process begins at
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 11
- HybridantriebHybrid drive
- 22
- Brennkraftmaschineinternal combustion engine
- 33
- Elektro-Maschineelectric machine
- 44
- EnergiespeicherEnergy storage
- 55
- Getriebetransmission
- 66
- AnfahrelementStarting element
- 77
- MotorsteuergerätEngine control unit
- 88
- GetriebesteuergerätTransmission control unit
- 99
- Kupplungcoupling
- 1010
- Hybrid-SteuergerätHybrid control unit
- 1111
- Bussystembus system
- 1212
- EingangsgrößenInput variables
- 1313
- StrategieblockStrategy block
- 1414
- UmschaltblockSwitching block
- 1515
- Blockblock
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